相对论百问 节选

《相对论百问》内容简介：相对论是青少年*感神奇，也觉得*为难懂的科学理论。不过，狭义相对论诞生（1905年）至今已经100多年了，广义相对论也将要迎来它的100岁生日（1915年），相对论已不再是*新的科学理论。今天的科学发展水平和教学条件已经完全有可能让青少年对相对论有一个初步的、基本正确的了解。这对于提高他们的科学素质，培养他们的创新精神和探究能力，增强他们的学习兴趣，拓宽他们对客观世界的认识都非常重要。

相对论百问 目录

一、狭义相对论1．什么是相对论?2．什么是以太理论?相对论诞生前夜以太理论遇到了哪些困难?3．什么是光行差效应?4．迈克耳孙实验说明了什么?5．相对论诞生前夜电磁理论遇到了什么困难?6．什么是洛伦兹收缩?7．什么是洛伦兹变换，它与伽利略变换有何不同?8．狭义相对论建立在哪两条公理的基础之上?9．相对性原理*初是如何提出的?10．牛顿的“水桶实验”是怎么回事?牛顿与马赫如何解释这一实验?11．相对论诞生前夜，物理学界对相对性原理有什么争论?12．光速不变原理是如何建立的?13．爱因斯坦是如何建立狭义相对论的?14．什么是“同时的相对性”?15．怎样从洛伦兹变换导出同时的相对性?16．相对论如何解释洛伦兹收缩?17．什么是动钟变慢效应?18．什么是双生子佯谬?19．什么是多普勒效应?20．星际飞船上的宇航员会看到什么景象?感受到哪些相对论效应?21．相对论的速度叠加公式怎么写?可以用速度叠加达到或超过光速吗?22．相对论的质量公式是什么?可以把火箭加速到光速吗?23．为什么相对论中的光速是极限速度?24．如何理解质能关系式E=mc2?经典力学中的动能与相对论能量之间有什么关系?：25．什么是狄拉克真空?26．什么是反物质?反物质是如何预言和发现的?27．时间有什么特点?什么是时间的“流逝性”和“测度性”?28．如何确定“相继时间段”的相等?29．不同地点的钟如何校准?为什么说真空中光速各向同性是一个约定?30．为什么测量的光速都是双程光速，不可能测量单程光速?31．相对论中空间距离如何测量?32．为什么说光速在相对论中处于核心地位?33．什么是四维时空?34．建立狭义相对论*困难的思想突破是什么?35．为什么相对论的缔造者是爱因斯坦而不是其他人?36．数学大师庞加莱如何评价爱因斯坦的工作?二、广义相对论／451．狭义相对论遇到什么重要困难?2．针对上述困难，爱因斯坦有什么新思路?3．什么是马赫原理?4．什么是引力质量?什么是惯性质量?5．什么是等效原理?6．爱因斯坦升降机是怎么回事?7．为什么说等效原理只在一点的邻域严格成立?8．在相对论中惯性系如何定义?9．非欧几何是怎样建立的?10．欧氏、罗氏和黎氏几何各有什么特点?11．爱因斯坦怎样构建广义相对论?12．能否简单介绍一下广义相对论?13．能否对弯曲时空做一个形象的比喻?14．广义相对论有哪些实验验证?15．什么是引力红移?16．什么是行星轨道近日点的进动?17．什么是光线偏折?18．什么是引力波?19．引力波是怎样提出的？20．目前检测到引力波了吗?21．广义相对论建立后有哪些重要进展?三、黑洞1．什么是黑洞?2．黑洞是怎样形成的?3．作为黑洞边界的事件视界是怎么回事?奇点与奇环是怎么回事?4．什么是“时空坐标互换”?什么是单向膜区?5．落向黑洞的飞船能够掉进黑洞吗?6．什么是白洞?7．转动带电的黑洞有什么特点?8．什么是黑洞无毛定理?9．什么是奇性定理?10．什么是宇宙监督假设?11．什么是黑洞面积定理?黑洞热力学是怎么回事?12．什么是霍金辐射?13．黑洞的负比热是怎么回事?14．什么是黑洞的信息疑难?15．信息不守恒会产生什么影响?16．霍金对信息疑难有什么看法?17．解决信息疑难的前景如何?四、宇宙学1．为什么爱因斯坦不把广义相对论用于量子论的研究，而把它用于宇宙学的研究?2．什么是宇宙学原理?3．爱因斯坦主张的“有限无边静态宇宙”是怎么回事?4．什么是宇宙学常数?5．什么是膨胀宇宙模型和脉动宇宙模型?6．什么是哈勃定律?7．什么是火球模型?8．如何理解宇宙的“大爆炸”?9．为什么说宇宙学红移不是多普勒效应?10．为什么河外星系的退行速度可以“超光速”?11．宇宙年龄有多大?宇宙的可观测距离又有多大?12．哪些观测结果支持了大爆炸宇宙模型?13．宇宙如何创生?宇宙极早期是什么情况?14．宇宙到底有限还是无限?15．什么是暗物质?16．什么是暗能量?17．有没有时空隧道?能不能制造时间机器?8．制造“可通过虫洞”和“时间机器”有什么困难?五、爱因斯坦1．爱因斯坦究竟是哪国人?2．中、小学时代的爱因斯坦是优秀学生吗?3．爱因斯坦为何赞扬阿劳中学的教育方式?4．爱因斯坦的大学生活有什么特点?5．爱因斯坦怎样开始自己的科学生涯?6．爱因斯坦的家庭、婚姻状况如何?7．为什么说没有比专利局对爱因斯坦更合适的工作单位了?8．在爱因斯坦的成长过程中有哪些值得注意之处?9．什么是“奥林匹亚科学院”?它对爱因斯坦的成长有什么影响?10．为什么说1905年是爱因斯坦的丰收年?11．提名授予爱因斯坦诺贝尔奖的领域有哪些?12．授予爱因斯坦诺贝尔奖的理由是什么?为什么说爱因斯坦未因创立相对论获诺贝尔奖?13．此后颁发的哪些诺贝尔奖与爱因斯坦的成就有关?14．爱因斯坦怎样看待自己取得成就的原因?15．爱因斯坦有哪些主要后继者?16．霍金怎样成长为卓越的学者?他的主要成就有哪些?主要参考文献

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插图：爱因斯坦是在长时间的反复思考之后，才得出这一原理的。早在他的相对论论文发表之前一年多，他就认识到相对性原理和麦克斯韦电磁理论都是大量实验证实的理论，都应该坚持。但这样导致的“光速不变”结论似乎与建立在伽利略变换基础上的速度叠加法则以及人们的日常观念相矛盾，爱因斯坦觉得“这真是个难解之谜”。1905年5月的一天，他带着这一问题专门拜访了他的好友贝索（“奥林匹亚科学院”的一位成员）。经过一下午的讨论，爱因斯坦突然明白了，问题出现在“时间”上，通常的时间概念值得怀疑。“时间并不是绝对确定的，而是在时间与信号速度之间有着不可分割的联系。有了这个概念，前面的疑难也就迎刃而解了”。他认识到如果坚持把相对性原理和光速不变（即光速与观测者相对于光源的运动速度无关）都看做公理，异地时钟的“同时”将是一个相对的概念。5周之后，爱因斯坦开创相对论的论文就寄给了杂志社。贝索是一个一事无成者的典型。他一生都在听课、学习，课听了一门又一门，书学了一本又一本。他还喜欢与别人争论，反驳别人的意见，但从不想自己去完成一件独立的工作。这次与爱因斯坦的讨论，大大地启发了爱因斯坦，但他自己并未搞清启发了爱因斯坦什么。当爱因斯坦感谢他在讨论中帮助了自己时，他感到茫然。爱因斯坦在这篇创建相对论的划时代论文的最后感谢了贝索对自己的帮助和有价值的建议。贝索十分激动，说：“阿尔伯特，你把我带进了历史。”爱因斯坦1922年在日本京都的一次演讲中曾提到他与贝索的这次讨论。讨论使他认识到两个地点的钟“同时”，并不像人们通常想象的那样，是一个“绝对”的概念。物理学中的概念都必须在实验中可测量，“同时”这个概念也不例外。而要使“同时”的定义是可测量的，就必须对信号传播速度事先要有一个约定。由于真空中的光速在电磁学中处于核心地位，爱因斯坦猜测应该约定（或者说“规定”）真空中的光速各向同性而且是一个常数，在此基础上来校准两个异地的时钟，即定义异地时间的同时。研究表明，在约定光速并承认光速的绝对性（光速不变原理）的基础上定义的“同时”将是一个相对的概念。我们看到，定义两个地点的钟同时，必须首先约定光速各向同性而且是一个常数。要在做相对运动的所有惯性系中，都用对光速的同一个约定来定义异地时钟的“同时”，则必须假定光速是绝对的。爱因斯坦曾经与贝索等人一起阅读过庞加莱的书《科学与假设》，还可能阅读过他的另一篇文章《时间的测量》。在这些著作中庞加莱议论过时间测量与光速的内在联系。庞加莱猜测，要测量时间，要校准不同地点的钟，可能首先要对光速有一个约定。